基于 Flexsim的煉鋼連鑄工程物流仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

曾 亮,王珊珊,葉理德

(1.中冶南方工程技術(shù)有限公司技術(shù)研究院,湖北武漢 430223;2.武漢工業(yè)學(xué)院工商學(xué)院信息工程系,湖北武漢 430065)

煉鋼連鑄生產(chǎn)作為鋼鐵制造流程中影響產(chǎn)品品種、質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié),認(rèn)識(shí)其生產(chǎn)物流規(guī)律,制定合理的生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃,是保證生產(chǎn)物流暢通,實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)和低成本生產(chǎn)的關(guān)鍵。近年來(lái)國(guó)外對(duì)這一問(wèn)題的研究甚為重視,并已取得顯著進(jìn)展。國(guó)外的許多鋼鐵企業(yè),如美鋼聯(lián)所屬的加里廠,日本的新日鐵、住友、川崎、日本鋼管、神鋼等五大鋼鐵公司的各鋼鐵廠,韓國(guó)的浦項(xiàng)、光陽(yáng),英國(guó) Broner,奧地利Bohler、Linz鋼鐵廠 ,德國(guó)的 Thyssen Krupp TSCR鋼鐵廠等[1],紛紛建立了各具特色的生產(chǎn)物流和調(diào)度系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)有寶鋼、武鋼、東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、重慶大學(xué)等單位的學(xué)者正在進(jìn)行煉鋼生產(chǎn)物流和調(diào)度管理方面的研究和開(kāi)發(fā)工作,如張?chǎng)H等綜合運(yùn)用賦時(shí)著色 Petri網(wǎng)和排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)方法,以面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了煉鋼物流仿真系統(tǒng)[2];陳吉人等針對(duì)煉鋼連鑄調(diào)度的復(fù)雜混合系統(tǒng)的特性,建立了各物理對(duì)象的 Petri模型,并開(kāi)發(fā)了基于組件技術(shù)及其體系架構(gòu)的煉鋼連鑄物流仿真系統(tǒng)[3];蔣勝龍等以統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML為建模工具開(kāi)發(fā)了煉鋼物流仿真軟件,并針對(duì)攀鋼煉鋼廠的工藝流程進(jìn)行了仿真試驗(yàn)[4];另外,龐新富、劉青、李云等也都在煉鋼生產(chǎn)物流和調(diào)度研究主題上取得了一定的研究成果[5-7]。

1 應(yīng)用 Flexsim研究煉鋼連鑄工程生產(chǎn)物流的目的

Flexsim本身是新一代的面向?qū)ο蟮姆抡娼９ぞ?也是迄今為止世界上唯一的在圖形建模環(huán)境中集成了 C++ IDE和編譯器的仿真軟件。

本文的研究目的是：借助于 Flexsim仿真軟件,實(shí)現(xiàn)煉鋼連鑄系統(tǒng)的模型化和模擬生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示,以及調(diào)度策略的分析和綜合等功能。系統(tǒng)不僅能在給定的工藝布局下對(duì)煉鋼廠的生產(chǎn)組織模式、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)優(yōu)、物流瓶頸和系統(tǒng)關(guān)鍵路徑,以及生產(chǎn)調(diào)度策略等進(jìn)行仿真,而且能結(jié)合用戶(hù)的多樣化需求,通過(guò)仿真為其在煉鋼工藝流程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提供決策支持,輔助確定合理、優(yōu)化的工藝布置和主要設(shè)備配置,實(shí)現(xiàn)各工序單元的整體匹配和協(xié)調(diào),達(dá)到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能優(yōu)化目的。

2 基于 Flexsim的煉鋼連鑄工程物流仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 流定義

所謂“流”即煉鋼連鑄物流仿真系統(tǒng)處理的臨時(shí)實(shí)體在系統(tǒng)中加工和轉(zhuǎn)運(yùn)的工藝路線(xiàn),也與仿真模型的邏輯流程對(duì)應(yīng)。結(jié)合煉鋼連鑄工程的實(shí)際,系統(tǒng)中定義了下面幾種臨時(shí)實(shí)體流：鐵水 /鋼水臨時(shí)實(shí)體流、鐵水罐臨時(shí)實(shí)體流、半鋼罐臨時(shí)實(shí)體流和鋼水罐臨時(shí)實(shí)體流。

鐵水/鋼水是煉鋼連鑄車(chē)間精煉處理的主要對(duì)象,鐵水 /鋼水流經(jīng)由進(jìn)廠鐵水線(xiàn)鐵水罐車(chē)送入,依次經(jīng)過(guò)脫硫站、脫磷轉(zhuǎn)爐、脫碳轉(zhuǎn)爐、LF爐和 RH爐精煉,以及各鐵水罐車(chē)、吊車(chē)和鋼水罐車(chē)的轉(zhuǎn)運(yùn),最后由連鑄機(jī)澆注成坯,完成了在整個(gè)車(chē)間的處理、流轉(zhuǎn)過(guò)程。與鐵水/鋼水臨時(shí)實(shí)體流不同,鐵水罐、半鋼罐和鋼水罐等臨時(shí)實(shí)體流在系統(tǒng)中是周轉(zhuǎn)和循環(huán)運(yùn)行的。

2.2 協(xié)同任務(wù)序列

2.2.1 協(xié)同任務(wù)序列示例

任務(wù)序列 (Task Sequence)是 Flexsim仿真軟件中的核心機(jī)制之一。在煉鋼連鑄車(chē)間中,主要的物流即是鐵水罐/鋼水罐在各個(gè)主體工藝設(shè)備之間的流轉(zhuǎn),涉及吊車(chē)的吊包、運(yùn)行和落包,鐵水罐車(chē) /鋼水罐車(chē)的裝載、運(yùn)行和卸載,以及多臺(tái)鐵水罐車(chē) /鋼水罐車(chē)和吊車(chē)之間的協(xié)同作業(yè)等,這些都需要任務(wù)序列和更復(fù)雜的協(xié)同任務(wù)序列來(lái)控制實(shí)現(xiàn)。

以將 1#鐵水線(xiàn)上的鐵水罐運(yùn)送至 1#脫硫站的協(xié)同任務(wù)序列為例,說(shuō)明任務(wù)序列在系統(tǒng)中的應(yīng)用。該運(yùn)送過(guò)程需要鐵水線(xiàn)鐵水罐車(chē) Transporter Lc1、加料跨一中的吊車(chē) Crane1和脫硫站鐵水罐車(chē) Transporter Kr1協(xié)同作業(yè)才能完成,對(duì)應(yīng)的協(xié)同任務(wù)可分解為多個(gè)子任務(wù),同時(shí),上面的協(xié)同任務(wù)又組織了三個(gè)不同的任務(wù)序列,如圖1所示。

圖1 協(xié)同任務(wù)序列示意圖

用上面的方法創(chuàng)建的協(xié)同任務(wù)序列結(jié)構(gòu)緊湊,各個(gè)任務(wù)執(zhí)行器或分配器的任務(wù)序列的前后時(shí)序關(guān)系明晰,具有較好的可復(fù)用性,可以說(shuō),也較好地實(shí)現(xiàn)了多個(gè)任務(wù)執(zhí)行器之間協(xié)同工作的要求。但是,它也有一個(gè)明顯的缺陷,即被分派任務(wù)的任務(wù)執(zhí)行器強(qiáng)耦合在一起,在協(xié)同任務(wù)執(zhí)行的過(guò)程中,任何一個(gè)任務(wù)執(zhí)行器均不能響應(yīng)系統(tǒng)中其他的調(diào)用請(qǐng)求,即使它處于不做任何事情的等待狀態(tài),不再響應(yīng)其他請(qǐng)求,這樣顯然會(huì)降低吊車(chē)的利用率,還可能引起煉鋼車(chē)間調(diào)度的擁塞狀況。

2.2.2 改進(jìn)的協(xié)同任務(wù)序列

為了解決協(xié)同任務(wù)序列中各任務(wù)執(zhí)行器強(qiáng)耦合的問(wèn)題,在開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了一種松散耦合的協(xié)同任務(wù)序列。其基本思路是將協(xié)同任務(wù)序列分解,如 2.2.1節(jié)的協(xié)同任務(wù),可以分解為 Transporter Lc1的任務(wù)序列、Crane1和 Transporter Kr1的協(xié)同任務(wù)序列,以及 Transporter Kr1的任務(wù)序列,實(shí)現(xiàn)過(guò)程中還要借助于消息驅(qū)動(dòng)以及對(duì)象實(shí)體和路徑網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的事件編程實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)的協(xié)同任務(wù)序列如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的協(xié)同任務(wù)序列

與圖1進(jìn)行對(duì)比,在圖2中,由于實(shí)現(xiàn)了任務(wù)序列的分解,在鐵水罐車(chē) Transporter Lc1向吊車(chē)Crane1的吊包位運(yùn)送鐵水罐的全過(guò)程中,吊車(chē)Crane1并不與鐵水罐車(chē) Transporter Lc1關(guān)聯(lián),依然可以執(zhí)行其他的任務(wù)序列。由此可知,這種松散耦合的協(xié)同任務(wù)序列可以使原本處于無(wú)謂等待中運(yùn)輸工具解放出來(lái),可以響應(yīng)仿真系統(tǒng)中其他的調(diào)用請(qǐng)求,從而有效地提高了設(shè)備利用率。

改進(jìn)的協(xié)同任務(wù)序列充分利用 Flexsim仿真軟件提供的消息機(jī)制和事件編程功能,較 2.2.1節(jié)的協(xié)同任務(wù)更接近煉鋼連鑄車(chē)間的實(shí)際調(diào)度方案。

2.3 多吊車(chē)的沖突處理方法

因?yàn)?Flexsim軟件本身并不提供多吊車(chē)模型,所以如何有效地避免在同一跨內(nèi)的多臺(tái)吊車(chē)的沖突問(wèn)題一直是 Flexsim仿真的難點(diǎn)之一,而在煉鋼連鑄車(chē)間內(nèi),多臺(tái)吊車(chē)布置在同一跨中是普遍存在的現(xiàn)象。

多吊車(chē)沖突問(wèn)題的重點(diǎn)是沖突處理函數(shù),沖突處理函數(shù)的基本思路是：兩臺(tái)可能發(fā)生沖突的吊車(chē)都不斷地判斷是否需要搶占當(dāng)前激活的任務(wù)序列,沖突發(fā)生時(shí),其中必定有一臺(tái)吊車(chē)激活的任務(wù)被先占,即吊車(chē)停止執(zhí)行當(dāng)前激活的任務(wù)序列,轉(zhuǎn)而執(zhí)行任務(wù)序列隊(duì)列中新插入的一個(gè)先占任務(wù)序列,讓吊車(chē)向與其沖突的吊車(chē)的反方向避讓,移開(kāi)一定的安全距離并隨后等待一段給定的時(shí)間。

多吊車(chē)沖突處理問(wèn)題的另一個(gè)重點(diǎn)是任務(wù)序列隊(duì)列中各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí) priority和先占值 preempty設(shè)定。前面的任務(wù)序列隊(duì)列章節(jié)中提到,在仿真運(yùn)行的任意給定時(shí)刻,一個(gè)任務(wù)執(zhí)行器只能有一個(gè)激活的任務(wù)序列,而其他的任務(wù)序列都會(huì)在隊(duì)列中等待,等待的多個(gè)任務(wù)序列會(huì)根據(jù)先占值和優(yōu)先級(jí)排隊(duì)。對(duì)作為任務(wù)執(zhí)行器的單臺(tái)吊車(chē)而言,根據(jù)工藝要求合理的確定各任務(wù)序列的優(yōu)先級(jí)和先占值非常關(guān)鍵。

2.4 鐵水/鋼水臨時(shí)實(shí)體與空罐的合成與分解

煉鋼連鑄車(chē)間與其他的流水作業(yè)車(chē)間相比,一個(gè)顯著的不同點(diǎn)在于對(duì)空罐的利用和周轉(zhuǎn)方面。如果將鐵水/鋼水和空罐均看作 Flexsim仿真中不同的臨時(shí)實(shí)體的話(huà),則在仿真進(jìn)行過(guò)程中,存在著多次鐵水 /鋼水和空罐的合成和分解過(guò)程。

對(duì)于多個(gè)臨時(shí)實(shí)體的合成與分解,Flexsim實(shí)體庫(kù)分別提供了2種不同的固定實(shí)體——合成器Combiner與分解器 Seperator來(lái)完成既定的功能。在煉鋼連鑄物流仿真系統(tǒng)中,沒(méi)有直接應(yīng)用合成器和分解器,而是借助于 Flexsim命令,如 createcopy()、moveobject()和 transfernode()等實(shí)現(xiàn)上述合成和分解過(guò)程。

以高爐鐵水罐進(jìn)廠之前與鐵水的合成為例說(shuō)明,實(shí)現(xiàn)二者合成的代碼如下：

//在 model()中創(chuàng)建鐵水罐實(shí)體;

createcopy(node("/Tools/FlowItemBin/18/1",model()),model());

//將鐵水罐移入鐵水臨時(shí)實(shí)體中,作為其子對(duì)象;

moveobject(last(model),item);

二者合成后,從對(duì)象樹(shù) Tree中看到的如圖3所示的對(duì)象關(guān)系,其中,MoltenTron對(duì)應(yīng)鐵水 item,而MoltenIronTank則是鐵水罐 item。

圖3 父子對(duì)象關(guān)系示意圖

2.5 兌鐵、加廢鋼和倒鑄余渣動(dòng)畫(huà)效果的實(shí)現(xiàn)

為了使仿真系統(tǒng)有較好的動(dòng)畫(huà)效果,設(shè)計(jì)過(guò)程中除了考慮鐵水/鋼水在各個(gè)主體工藝設(shè)備之間的轉(zhuǎn)運(yùn)以及各主體工藝設(shè)備的處理之外,還實(shí)現(xiàn)了其他作業(yè)項(xiàng)目的動(dòng)畫(huà)展示,如轉(zhuǎn)爐冶煉之前的兌鐵和加廢鋼過(guò)程,及連鑄機(jī)澆注完成后的倒鑄余渣過(guò)程等。

以加廢鋼動(dòng)畫(huà)效果的實(shí)現(xiàn)為例說(shuō)明,加廢鋼動(dòng)畫(huà)效果是通過(guò)對(duì)任務(wù)序列的編程實(shí)現(xiàn)的,該過(guò)程的完整處理流程如圖4所示。

圖4 加廢鋼動(dòng)畫(huà)效果的處理流程

加廢鋼動(dòng)畫(huà)效果由 3個(gè)任務(wù)序列協(xié)作完成,分別如上圖所示的任務(wù)序列 A、B、C。值得一提的是,任務(wù)序列 C執(zhí)行完畢,加廢鋼的子任務(wù)完成,系統(tǒng)返回到任務(wù)序列A中調(diào)用子任務(wù)的下一個(gè)任務(wù)中,也就是 Traveltoloc,將廢鋼料槽送回。

3 煉鋼連鑄工程物流仿真系統(tǒng)實(shí)例

以防城港鋼鐵基地轉(zhuǎn)爐煉鋼廠為實(shí)例實(shí)現(xiàn)的煉鋼連鑄工程物流仿真系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 煉鋼連鑄工程物流仿真系統(tǒng)實(shí)例

除了前面演示的物流仿真系統(tǒng)的主視圖外,Flexsim還提供了包括生產(chǎn)計(jì)劃 Gantt圖、主體設(shè)備的狀態(tài)和對(duì)比分析圖等多種圖形化工具,可以直觀地從不同角度顯示系統(tǒng)運(yùn)行信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用 Flexsim仿真軟件,實(shí)現(xiàn)煉鋼連鑄系統(tǒng)的模型化和模擬生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示,以及調(diào)度策略的分析和綜合等功能。該系統(tǒng)的成功研發(fā),是應(yīng)用物流仿真軟件 Flexsim研究煉鋼連鑄生產(chǎn)物流的一次有益的嘗試,也是煉鋼連鑄工藝流程設(shè)計(jì)方法的一次創(chuàng)新。

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